En física nuclear y física atómica , carga débil se refiere al acoplamiento de interacción débil del modelo estándar del bosón del vector Z ; indica un efecto sobre la paridad que viola la dispersión de electrones . Para cualquier isótopo nuclear dado, la carga débil total es aproximadamente -0,99 por neutrón y +0,07 por protón . [1] El término también se usa a veces para referirse a isospin débil [2] , hipercarga débil o el vector de acoplamiento de cualquier fermión al bosón Z (es decir, la fuerza de acoplamiento de corrientes neutras débiles ), [3] .
Bases teóricas
La fórmula para la carga débil se deriva del modelo estándar y viene dada por: [4] [5]
dónde es la carga débil, es el isospin débil, [Nota 1] es la carga eléctrica , yel ángulo de mezcla débil .
Desde y el ángulo de mezcla débil es de aproximadamente 30 °, se puede aproximar la carga débil mediante:
Sin embargo, esta relación solo es aplicable a partículas fundamentales , ya que la isospina débil no está claramente definida para partículas compuestas , como los nucleones, en parte debido a que la isospina débil no se conserva. Sin embargo, se puede establecer el isospin débil del protón en + 1 ⁄ 2 y el del neutrón en - 1 ⁄ 2 , [6] [7] para obtener un valor aproximado de la carga débil. De manera equivalente, también se pueden sumar las cargas débiles de los quarks constituyentes para obtener los mismos resultados.
Por tanto, la carga débil calculada para el neutrón es:
La carga débil del protón calculada con la fórmula anterior y un ángulo de mezcla débil de 29 ° es:
Sin embargo, surgen correcciones al realizar el cálculo teórico completo. Específicamente cuando se evalúan diagramas de Feynman más allá del nivel del árbol (es decir, diagramas que contienen bucles), donde el ángulo de mezcla débil se vuelve dependiente de la escala de momento debido a la ejecución de las constantes de acoplamiento , [5] y debido al hecho de que los nucleones son partículas compuestas.
Partícula | Carga eléctrica | Isospin débil | Hipercarga débil | Carga débil | Acoplamiento del bosón Z | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Izquierda | Derecha | Izquierda | Derecha | Izquierda | Derecha | |||
Arriba , encanto , arriba | + 2 ⁄ 3 | + 1 ⁄ 2 | 0 | + 1 ⁄ 3 | + 4 ⁄ 3 | + 1- 8 ⁄ 3 sin 2 θ W ≈ + 1 ⁄ 3 | + 1 ⁄ 2 - 2 ⁄ 3 sin 2 θ W ≈ + 1 ⁄ 3 | - 2 ⁄ 3 sin 2 θ W ≈ - 1 ⁄ 6 |
Abajo , extraño , fondo | - 1 ⁄ 3 | - 1 ⁄ 2 | - 2 ⁄ 3 | -1+ 4 ⁄ 3 sin 2 θ W ≈ - 2 ⁄ 3 | - 1 ⁄ 2 + 1 ⁄ 3 sin 2 θ W ≈ - 5 ⁄ 12 | + 1 ⁄ 3 sin 2 θ W ≈ + 1 ⁄ 12 | ||
Neutrino | 0 | + 1 ⁄ 2 | -1 | 0 [Nota 2] | +1 | + 1 ⁄ 2 | 0 [Nota 2] | |
Electrón , muón , tauón | - 1 ⁄ 2 | -1 | -2 | -1 + 4sin 2 θ W ≈ 0 | - 1 ⁄ 2 + sen 2 θ W ≈ - 1 ⁄ 4 | pecado 2 θ W ≈ + 1 ⁄ 4 | ||
Fotón , bosón Z, gluón | 0 | |||||||
Bosón W [Nota 3] | +1 | +1 | 0 | + 2-4 pecado 2 θ W ≈ +1 | + 1-sen 2 θ W ≈ + 3 ⁄ 4 | |||
bosón de Higgs | 0 | - 1 ⁄ 2 | +1 | -1 | - 1 ⁄ 2 |
Derivación
El modelo estándar de acoplamiento de fermiones al bosón Z y al fotón viene dado por: [9]
dónde y son un campo de fermiones para zurdos y diestros respectivamente, es el campo del bosón B ,es el campo de bosones W 3 ,es la carga elemental en las unidades Lorentz-Heavside Planck , y (ver ecuación de Weyl y matrices de Pauli ). Los campos de bosones B y W 3 están relacionados con el campo de bosones Z y campo electromagnético (fotón) por y . Combinando estas relaciones con la ecuación anterior y separando por y , Se obtiene:
La El término que está presente para los fermiones diestros y zurdos representa la interacción electromagnética familiar . Los términos que involucran al bosón Z dependen de la quiralidad del fermión, por lo que hay dos fuerzas de acoplamiento diferentes: y . Sin embargo, es más conveniente tratar los fermiones como una sola partícula en lugar de tratar los fermiones zurdos y diestros por separado. La base de weyl se elige para esta derivación: [10]
Por lo tanto, la expresión anterior se puede escribir como:
dónde
Fórmulas empíricas
La carga débil puede sumarse en núcleos atómicos, de modo que la carga débil predicha para 133 Cs (55 protones, 78 neutrones) es 55 × (+0.0719) + 78 × (−0.989) = −73.19, mientras que el valor determinado experimentalmente de las mediciones de paridad que violan la dispersión de electrones, fue -72,58. [11]
Las mediciones en 2017 dan la carga débil del protón como 0,0719 ± 0,0045 . [12]
Un estudio reciente utilizó cuatro isótopos pares de iterbio para probar la fórmula Q w = −0,989 N + 0,071 Z , para carga débil, con N correspondiente al número de neutrones y Z al número de protones. Se encontró que la fórmula era consistente con una precisión del 0.1% utilizando los isótopos de iterbio 170 Yb , 172 Yb , 174 Yb y 176 Yb . [13]
En la prueba de iterbio , los átomos se excitaron con luz láser en presencia de campos eléctricos y magnéticos, y se observó la violación de paridad resultante. [14] La transición específica observada fue la transición prohibida de 6s 2 1 S 0 a 5d6s 3 D 1 (24489 cm −1 ). El último estado se mezcló, debido a la interacción débil, con 6s6p 1 P 1 (25068 cm -1 ) en un grado proporcional a la carga nuclear débil. [13]
Ver también
- Hipercarga débil
- Isospin débil
- Bosón Z
- Interacción débil
- Corriente neutra
Notas
- ^ Específicamente el isospin débil parafermiones zurdos , ya que los fermiones diestros siempre tienen isospin débil cero.
- ^ a b Siempre que existan neutrinos estériles (que no forman parte del modelo estándar). [8]
- ^ Los cargos enumerados son para elbosónW + .
Referencias
- ^ Hagen, G .; Ekström, A .; Forssén, C .; Jansen, GR; Nazarewicz, W .; Papenbrock, T .; et al. (2016). "Carga, neutrones y tamaño débil del núcleo atómico". Física de la naturaleza . 12 (2): 186-190. arXiv : 1509.07169 . doi : 10.1038 / nphys3529 .
- ^ "Propiedades del Z 0 -Boson" (PDF) . Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg. Agosto de 2015. p. 7 . Consultado el 11 de mayo de 2021 .
- ^ "Midiendo la carga DÉBIL del electrón" . SLAC, Universidad de Stanford. 28 de junio de 2005. p. 34 . Consultado el 12 de mayo de 2021 .
- ^ "Lección 16 - Teoría electrodébil" (PDF) . Universidad de Edimburgo. pag. 7 . Consultado el 11 de mayo de 2021 .
- ^ a b Kumar, Krishna S. (2014). "Dispersión de electrones que viola la paridad". Universidad de Stony Brook: 4. doi : 10.3204 / DESY-PROC-2014-04 / 255 . Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ Rosen, SP (1 de mayo de 1978). "Universalidad y el isospín débil de leptones, nucleones y quarks". Revisión física . doi : 10.1103 / PhysRevD.17.2471 .
- ^ Robson, BA (12 de abril de 2004). "Relación entre isospín fuerte y débil". Revista Internacional de Física Moderna . doi : 10.1142 / S0218301304002521 .
- ^ "Neutrinos estériles | Todas las cosas Neutrino" . Fermilab . Consultado el 18 de mayo de 2021 .
- ^ Buchmüller, W .; Lüdeling, C. "Teoría de campo y modelo estándar" (PDF) . Consultado el 14 de mayo de 2021 .
- ^ Tong, David (2009). "Ecuación de Dirac" (PDF) . Universidad de Cambridge. pag. 11 . Consultado el 15 de mayo de 2021 .
- ^ Dzuba, VA; Berengut, JC; Flambaum, VV; Roberts, B. (2012). "Revisando la no conservación de la paridad en Cesio". Cartas de revisión física . 109 (20): 203003. arXiv : 1207.5864 . doi : 10.1103 / PhysRevLett.109.203003 . PMID 23215482 .
- ^ Androić, D .; Armstrong, DS; Asaturyan, A .; et al. (La colaboración de Jefferson Lab. Qweak) (2018). "Medida de precisión de la carga débil del protón". Naturaleza . 557 : 207–211. arXiv : 1905.08283 . doi : 10.1038 / s41586-018-0096-0 .
- ^ a b Antypas, D .; Fabricant, A .; Stalnaker, JE; Tsigutkin, K .; Flambaum, VV; Budker, D. (2018). "Variación isotópica de violación de paridad en iterbio atómico". Física de la naturaleza . arXiv : 1804.05747 . doi : 10.1038 / s41567-018-0312-8 .
- ^ "La investigación de la violación de la paridad atómica alcanza un nuevo hito" . phys.org (Comunicado de prensa). Universität Mainz . 2018-11-12 . Consultado el 13 de noviembre de 2018 .